传感器与检测

1、4.5.1 光栅传感器的结构光栅传感器的结构4.5.2 莫尔条纹形成的原理莫尔条纹形成的原理4.5.3 莫尔条纹技术的特点莫尔条纹技术的特点4.5.4 光栅的光路光栅的光路4.5.5 辨向原理辨向原理4.5.6 细分技术细分技术l光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。指示光栅）和光电接收元件组成。 上一页下一页返 回l钨丝灯泡：钨丝灯泡：输出功率较大，工作范围较宽（输出功率较大，工作范围较宽（-40到到+130）与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击条件下工作时，使用寿

2、命将降低。条件下工作时，使用寿命将降低。l半导体发光器件半导体发光器件:转换效率高，响应特征快速。转换效率高，响应特征快速。 如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换效率最高可达效率最高可达30%左右。砷化镓发光二极管的脉冲响左右。砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几十应速度约为几十ns，可以使光源工作在触发状态，从，可以使光源工作在触发状态，从而减小功耗和热耗散。而减小功耗和热耗散。 上一页下一页返 回a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）称为光栅的栅距（或光栅常数）通常情况下，通常情况下，a=b=W/2 上一页下一页返 回l包括有包括有光

3、电池光电池和和光敏三极管光敏三极管等部分。等部分。l在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。上一页下一页返 回2tantan横向莫尔条纹的斜率横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹间距WWBCABBH2sin22sin莫尔条纹的宽度莫尔条纹的宽度BH由由光栅常数与光栅夹角决定光栅常数与光栅夹角决定 上一页下一页返 回（1）调整

4、夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了）调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用，又提高了测量精度。放大作用，又提高了测量精度。（2）莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信）莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信 号作进一步细分，即采用号作进一步细分，即采用“倍频技术倍频技术”。这样可以提。这样可以提 高测量精度或可以采用较粗的光栅。高测量精度或可以采用较粗的光栅。（3）光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻 线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的 影响。影响。 因此可得到比光

5、栅本身的刻线精度高的测量精度。因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。 这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。 上一页下一页返 回当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动，当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动，测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。 上一页下一页返 回l透射光路透射光路l反射光路反射光路 上一页下一页返 回1-光源光源2-准直透镜准直透镜3-主光栅主光栅4-指示光栅指示光栅5-光电元件光电元件 此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。此光路适

6、合于粗栅距的黑白透射光栅。 特点：特点：结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。上一页下一页返 回1反射主光栅反射主光栅2-指示光栅指示光栅3-场镜场镜4-反射镜反射镜5-聚光镜聚光镜6-光源光源7-物镜物镜8-光电电池。光电电池。该光路适用于黑白反射光栅。该光路适用于黑白反射光栅。上一页下一页返 回单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就动方向，因而就不能判别运动零件的运动方向不能判别运动零件的运动方向，以致不能

7、正确测量位移。以致不能正确测量位移。如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数累加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确中减去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。的测量结果。上一页下一页返 回在相距的位置上设置两个光电元件在相距的位置上设置两个光电元件1和和2，以得到两个相位互差以得到两个相位互差90的正弦信号的正弦信号 上一页下一页返 回正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数，

8、这样光栅传感器就可辨向。减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。上一页下一页返 回上一页下一页返 回辨向电路各点波形图辨向电路各点波形图l提高分辨力方法提高分辨力方法：在选择合适的光栅栅距的前提下，以对在选择合适的光栅栅距的前提下，以对栅距进行测微，电子学中称栅距进行测微，电子学中称“细分细分”，来得到所需的最小读数值。来得到所需的最小读数值。l细分细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当量提高分辨力。以减小脉冲当量提高分辨力。 上一页下一页返 回l直接细分直接细分又称又称位

9、置细分位置细分，常用的细分数为，常用的细分数为4。四细分可用四细分可用4个依次相距的光电元件，在莫尔个依次相距的光电元件，在莫尔条纹的一个周期内将产生条纹的一个周期内将产生4个计数脉冲，实现个计数脉冲，实现了四细分。了四细分。 l优点：优点：对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单，可用于静态和动态测量系统。简单，可用于静态和动态测量系统。缺点：缺点：光电元件安放困难，细分数不能太高。光电元件安放困难，细分数不能太高。上一页下一页返 回上一页下一页返 回未细分未细分(a)与细分与细分(b)的波形比较的波形比较22111212eRRReRRRUsccossin)s

10、in(AUsc由细分数决定（即事先确定R1/R2）用此信号去触发施密特电路 (=- )上一页下一页返 回tan21cos2,sin1RRAeAe，令有电阻电桥细分法用于电阻电桥细分法用于10细分细分 上一页下一页返 回等电阻链细分电路等电阻链细分电路 实质：用电阻衰减器来进行细分。实质：用电阻衰减器来进行细分。上一页返 回l掌握不同类型的电容式传感器的原理及其用途，掌握不同类型的电容式传感器的原理及其用途，并能设计电容式传感器。并能设计电容式传感器。l理解与分析各种电容式传感器测量电路的特点。理解与分析各种电容式传感器测量电路的特点。l了解杂散电容产生原因及解决方法。了解杂散电容产生原因及解决

11、方法。l理解电涡流式传感器的特点、工作原理及应用理解电涡流式传感器的特点、工作原理及应用方法。方法。l了解压磁传感器的工作原理、结构形式、及参了解压磁传感器的工作原理、结构形式、及参数选取的方法。数选取的方法。l掌握光电效应及光电器件如：光敏电阻、光敏二极管、掌握光电效应及光电器件如：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池的基本特性、工作原理和应用方光敏三极管、光电池的基本特性、工作原理和应用方法。法。l熟悉电荷耦合器件结构原理、工作过程及特性。熟悉电荷耦合器件结构原理、工作过程及特性。l熟悉码盘式传感器的工作原理、不同码制的特点和相熟悉码盘式传感器的工作原理、不同码制的特点和相互转换的方法

12、。互转换的方法。l掌握光栅传感器结构及莫尔条纹的形成机理、特点以掌握光栅传感器结构及莫尔条纹的形成机理、特点以及如何通过测量电路提高精度和辨向的方法。及如何通过测量电路提高精度和辨向的方法。l熟悉光导纤维传光原理和结构形式。熟悉光导纤维传光原理和结构形式。l掌握光纤传感器结构测量原理及分类、组成单元中光掌握光纤传感器结构测量原理及分类、组成单元中光纤的作用。纤的作用。l概念类：概念类：l1、光电效应分几类，说明其原理并指出相应的光电器件。、光电效应分几类，说明其原理并指出相应的光电器件。l2、何谓光电池的开路电压和短路电流？为什么作为测量元、何谓光电池的开路电压和短路电流？为什么作为测量元件时

13、要采用件时要采用短路电流短路电流输出的形式。输出的形式。l3、光电元件的、光电元件的光谱特性光谱特性和和频率特性频率特性的意义有何区别？在选的意义有何区别？在选用光电元件时应怎样考虑这些特性。用光电元件时应怎样考虑这些特性。l4、试说明光栅传感器能测量很微小的位移？为什么能判别、试说明光栅传感器能测量很微小的位移？为什么能判别位移的方向。位移的方向。l5、为什么光电二极管在不同的光照下的、为什么光电二极管在不同的光照下的伏安特性伏安特性，在零偏，在零偏压时，有光电流输出？比较它的压时，有光电流输出？比较它的伏安特性伏安特性与光敏三极管的与光敏三极管的异同。异同。l6、书上的习题（除第、书上的习

14、题（除第2、9、12题）如题）如3 、5、7、8、10、11。等等，掌握光电传感器工作原理、基本特性、主要特点等。等等，掌握光电传感器工作原理、基本特性、主要特点等。l计算、分析类：计算、分析类：l一个一个21码道的循环码盘，其最小的码道的循环码盘，其最小的分辨率分辨率是多少？若是多少？若该角度对应的圆弧长度至少为该角度对应的圆弧长度至少为0.001mm,问问码盘直径码盘直径为多大？若为多大？若5码道循环码盘其最里面的码道输出码道循环码盘其最里面的码道输出“1”，其它输出为其它输出为“0”，问对应的，问对应的角度角度为多少？为多少？l若某光栅的栅线密度为若某光栅的栅线密度为50线线/mm,主光

15、栅与指示光栅主光栅与指示光栅之间的夹角为之间的夹角为0.01rad,若采用四只光敏二极管接收莫若采用四只光敏二极管接收莫尔条纹信号，并且光敏二极管尔条纹信号，并且光敏二极管响应时间响应时间为为10-6s，问此，问此光栅允许最快的运动速度为多少？（需先求出光栅允许最快的运动速度为多少？（需先求出莫尔间莫尔间距距）l3、采用光学分析仪器测量含有一氧化碳的甲烷气体，、采用光学分析仪器测量含有一氧化碳的甲烷气体，已知甲烷的吸收光谱带为已知甲烷的吸收光谱带为3.3微米及微米及7.2微米，而一氧微米，而一氧化碳的化碳的吸收光谱吸收光谱在在4.65微米处，问利用什么材料半导微米处，问利用什么材料半导体光电元

16、件检测合适。体光电元件检测合适。l4、书上、书上9题（题（数值孔径、入射角数值孔径、入射角）。）。主要是基本特性参数的计算和分析。主要是基本特性参数的计算和分析。 l综合类：综合类：1、书上、书上2题。题。2、试用光电二极管、或光敏电阻设计路灯自、试用光电二极管、或光敏电阻设计路灯自动控制电路，使天黑亮、天亮熄。动控制电路，使天黑亮、天亮熄。3、用、用CCD可用于文字识别或位置识别（如机可用于文字识别或位置识别（如机器人足球赛），试分析其的工作过程。器人足球赛），试分析其的工作过程。色敏光电传感器P+NPSiO2电极1 电极2电极3123色敏光电传感器和等效电路 色敏光电传感器实际上是光电传感器的一种特殊类型。它是两只结深不同的的光电二极管组合体，其结构和工作原理的等效电路如图所示。双结光电二极管的P+- -N结为浅结结为浅结，N- -P结为深结结为深结。当光照射时，P+，N，P三个区域及其间的势垒区均有光子吸收，但是吸收的效率不同。紫外光部分吸收系数大，经过很短距离就被吸收完毕；因此，浅结对紫外光有较高灵敏度。而红外光部分吸收系数小，光子主要在深结处被吸收；因此，深结对红外光有较高的灵敏度。即半导体中